四摆臂-六履带机器人单侧台阶障碍越障仿真与试验

为了实现机器人代替人类在农业环境下作业,减轻人类的劳作负担,该文设计了一种四摆臂-六履带机器人(4SA-6TR),机器人采用套筒轴传动形式,其摆臂旋转运动与履带轮旋转运动相互独立,可实现多姿态变化,适应野外复杂地形。为掌握机器人的越障稳定性,建立了4SA-6TR机器人运动学关系矩阵方程,并借助重心定理对机器人运动姿态进行分析,得到机器人在全局坐标系下的重心坐标方程,并利用重心投影法判断机器人越障的稳定性。为实现机器人稳定越障,研究SA-6TR机器人单侧障碍地形的越障机理,建立机器人摆臂旋转角度与机器人横滚角度关系的数学模型;对数学模型进行推导,得到机器人在攀越单侧台阶平稳越障时机器人摆臂旋转角度?与台阶高度H的关系式。通过Soliworks三维设计软件及Adams仿真软件建立4SA-6TR机器人虚拟样机模型及仿真环境,完成单侧双重障碍地形越障仿真试验。通过室内测试试验,完成150 mm高的障碍测试,测试发现机器人的俯仰角度偏差较大,最大偏差2.4?,但最终俯仰角度稳定在0.1?左右;横滚角度偏差较小,最终横滚角度稳定在0.3?左右,达到了机器人平稳越障的控制目的,并验证机了器人摆臂角度控制策略的正确性及可行性。本文推导的单侧障碍越障姿态调整控制方案可为4SA-6TR机器人自主越障提供理论依据。     

变自由度轮足复合机器人轨迹规划验证及步态研究

为了适应现代化农业对机器人的新要求,该文基于仿生学原理,提出一种可变自由度、轮足复合式、串并混联机构作为四足机器人的腿部机构。该文首先对机器人的整机和腿部机构进行了构形设计,并进行了位置分析;然后,根据农业上的一般地形和障碍物地形,规划了机器人足端普通轨迹及越障轨迹,并利用软件进行了轨迹仿真;其次,根据机器人静态及动态稳定性判据,在保证稳定性的前提下,完成了机器人对角小跑步态规划,并进行了仿真研究;最后,对机器人单腿样机进行了足端轨迹规划验证试验。试验结果表明:该单腿样机可以按给定的轨迹运动,证明该机器人机构设计是可行的,足端运动轨迹规划是正确的。但实际轨迹和理论计算轨迹存在误差,y轴方向最大误差2.5mm,z轴方向最大误差5.3 mm,误差均小于10 mm,在允许范围内,该机器人能够满足农业现代化的使用需求。     

轮腿混合四足机器人六自由度并联机械腿设计

为了设计一种可以同时实现迈步行走、有动力轮式机动、无动力轮旱冰式滑行3种运动方式的轮腿混合农业四足机器人,提出了一种基于3-UPS机构的六自由度并联机械腿,选取结构参数并给出设计方案。首先,通过矢量回路法推导出机构的位置反解方程,并建立机构的速度映射模型;采用搜索法对机构的工作空间进行分析,并绘制出工作空间三维分布图,揭示出机构结构参数和工作空间之间的关系;基于速度映射模型绘制出雅可比矩阵条件数在工作空间内的三维分布图。接着,定义了一组运动灵活性评价指标,对机械腿的机构进行运动灵活性分析,并绘制出结构参数与运动灵活性评价指标关系曲线,揭示出结构参数对机构运动灵活性的影响规律。然后,基于工作空间特性和运动灵活性评价指标,采用蒙特卡罗法进行结构参数设计,通过建立各结构参数的概率模型空间选取了一组综合性能较好的结构参数:机械腿固定平台万向副分布直角边长为230 mm,运动平台球面副分布直角边长为70 mm,支链最大直径为60 mm,各支链套筒和伸缩杆长度均为500 mm。最后,采用选取的结构参数设计出机械腿及轮腿混合四足机器人整体的虚拟样机,并对虚拟样机进行迈步运动仿真,结果表明:机械腿的各驱动参数变化非常平稳且峰值均在合理范围之内,证明机械腿的设计方案和结构参数较为合理。该研究为拓展轮腿混合四足机器人在农业工程领域的应用提供了参考。     

液压驱动仿生多足机器人单腿设计与试验

为研究液压驱动多足机器人动态步态下足端与地面高速接触对机器人系统的影响及实现稳定控制,该文设计了液压驱动多足机器人单腿并进行了动态跳跃试验。根据生物学家对大型犬后腿结构仿生和运动仿生的研究成果设计多足机器人单腿机械结构参数和执行器参数:确定大小腿长度为0.35 m、髋关节角度范围为[-50°,70°],膝关节角度范围为[-140°,-20°];液压缸活塞直径为0.02 m、活塞杆直径为0.01 m,活塞杆行程为0.1 m。根据单腿竖直跳跃动态仿真试验,确定了在液压系统压力16 MPa下系统平均流量为5.6×10-5 m3/s,最后完成了机器人单腿样机机械加工并进行了动态跳跃试验,验证了机器人单腿机械结构和液压缸参数设计的合理性。该研究可为液压驱动仿生多足机器人单腿设计提供参考。     

六足制孔机器人三自由度并联机械腿的误差模型及验证

为了研制六足制孔机器人,提出了一种基于(U+UPS)P+UPS机构的三自由度并联机械腿,建立了机械腿机构的误差模型与评价方法,并通过误差分析制造出机械腿试验样机,对试验样机进行了误差标定试验研究。首先,采用矢量链法建立了机械腿机构的误差矢量约束方程,得到了机械腿机构的误差传递模型。接着,定义了一组误差敏感性评价指标,并绘制了误差敏感性评价指标在机械腿机构工作空间内的分布曲面。然后,基于误差敏感性评价指标及机构其他机构学性能,采用蒙特卡罗法对机械腿进行了结构参数设计,选取了一组结构参数,制造了机械腿试验样机。最后,采用一套高精度机器人标定系统对机械腿试验样机进行了误差标定。试验表明:机械腿试验样机的位置误差实测值与理论值之间偏差均小于0.003 mm,姿态误差实测值与理论值之间偏差均小于0.05°,误差敏感性评价指标的实测值与理论值的差值均小于0.03。机械腿试验样机的误差均在合理范围之内,基本达到了设计要求。     

基于双6-UPU并联机构的步行机器人步行越障步态仿真与试验

为拓展六足机器人的应用,提高六足机器人对工作环境的适应性及工作的灵活性,该文提出了一种基于并联腿的六足步行机器人结构。该步行机器人由2个6-UPU并联机构腿和6个足构成,每个足上各安装1个辅助腿,共有18个自由度,辅助腿可根据环境改变步行机器人身体的高度,增强了克服障碍物与环境的适应能力。首先,对该机构进行运动学分析,通过腿部6-UPU并联机构的运动学逆解求解,得到机器人运动过程中并联腿各分支的状态;其次,通过对人体行走规律的研究,根据运动学逆解的结果,设计了步行机器人的2种步态,分别为跨步行走步态和越障步态;之后,根据样机材质,在ADMAS环境下对六足机器人的模型组件增加质量,进行2种步态的行走仿真,跨步行走步态一个步态周期耗时23.734 2 s,步行机器人机体前进400 mm,平均行走速度为1 011.2 mm/min,而越障步态一个步态周期耗时18 s,步行机器人机体前进100 mm,平均行走速度为333.3 mm/min;最后,选用两片STM32芯片为核心处理器进行控制系统设计,两片STM32芯片分别进行数据采集与PID运算,二者间采用串口通信实现数据传输,跨步行走步态一个步态周期耗时24.85 s,步行机器人机体前进385 mm,平均行走速度为929.6 mm/min,而越障步态一个步态周期耗时20.8 s,步行机器人机体前进90 mm,平均行走速度为259.6 mm/min。试验表明：跨步行走步态下,完成一个步态周期内的耗时与平均行走速度的偏差分别为5%、8%,而在越障步态下,完成一个步态周期内的耗时与平均行走速度的偏差分别为13%、22%,绘制了2个平行腿移动平台中心点的规划轨迹和试验轨迹,试验轨迹在步行阶段,试验结果滞后于2种步态的模拟结果。其偏差可归结为试验样机中各电动缸自身特性、装配精度、部件的质量差异等因素的影响,但样机能够按照设定的步态完整设定的行走任务,从而验证了仿真分析的正确性。该研究为进一步研究六足并联腿步行机器人实现未知倾斜面或环境中的稳定行走提供了初步的实践依据。     

基于旋量理论的混联采摘机器人正运动学分析与试验

为满足油茶果机械化、自动化采摘的要求,避免利用传统的Denavit-Hartenberg(D-H)参数法对机器人进行运动学分析时的缺陷,提出了一种基于旋量理论构建混联采摘机器人运动学方程的方法。根据混联采摘机器人机械臂的结构特点进行简化;基于所提出的方法建立了机器人正运动学方程,获得末端执行器的位置正解;随机选取5组关节变量值,得出末端执行器在基础坐标系各坐标轴上的最大绝对位置误差为10.4 mm,远小于末端执行器200 mm的开度,满足该机器人末端执行器的采摘工作要求,验证了通过文中所提出的方法建立混联采摘机器人运动学正解方程的可行性及方程的正确性。该研究可为后续开展混联采摘机器人控制方法和轨迹规划研究提供参考。     

立体苗盘管理机器人的机械臂参数优化与试验

为使立体苗盘管理机器人的机械臂能够在植物工厂狭窄的作业环境下,灵活、高效地完成目标工作空间的所有搬运和喷洒动作任务需求,同时尽量减小机械臂的操纵空间和结构尺寸,采用理论与试验相结合的方法对机械臂参数进行了优化设计。首先采用D-H法建立了机器人的运动学模型,然后通过工作空间分析确定出优化参数的工作空间约束条件。在此基础上,以"距离最短"和"结构紧凑"为性能指标建立目标优化函数,并利用遗传算法求解出最优的大臂杆长648 mm、中臂杆长472 mm和小臂杆长396 mm,最优机械臂关节转角极限值为96°、68°和126°。最后进行机器人样机的搬运和喷洒运动规划试验,并借助高速摄像系统标记机械臂末端运动轨迹坐标。试验结果表明:优化后的机械臂能够到达目标工作空间的所有极限位置及其他特征位置点,最大绝对定位误差为9.8 mm,最大相对定位误差为0.98%,在允许的误差范围内,能够满足机械臂工作空间对目标工作空间的有效包容。     

四足机器人腿部并联机构末端位置误差分析与验证

为合理确定应用于四足机器人腿部机构的2自由度平面并联机构零件制造公差范围,该文进行了并联机构末端位置误差灵敏度分析与工作空间内的位置精度预估,建立2自由度平面并联机构位置方程;采用全微分理论建立2自由度平面并联机构的误差模型,得到各误差源相对于末端位置误差的映射关系;建立机构位置误差灵敏度模型与评价指标,借助灵敏度评价指标揭示出统计意义下各几何误差源对末端位置精度的影响程度;依据3?原则与灵敏度评价指标,确定了各误差源的零件制造公差;采用三坐标测量仪对试验样机制造误差值进行测量,依据误差模型对末端位置精度在工作空间内的分布进行预估及实例验证。结果表明:实际位置精度值与理论位置精度预估值最大误差绝对值为0.0038 mm,最小误差绝对值为0.001 5 mm,各误差值均较小,验证了误差传递模型、位置精度预估的正确性及该方法确定构件制造公差的有效性。研究结果可为四足机器人腿部机构的运动学标定、误差补偿及执行精确任务时的轨迹规划提供理论依据。     

六足步行机器人腿部机构运动学分析

为了提高农业自动化程度,拓宽农业机器人的应用范围,提高农业机器人对工作环境的适应性及工作的灵活性,该文介绍了一种六足步行机器人三自由度腿部机构。该机构由并联驱动机构和行走机构组成,既具有并联机构的特点,又具有很好的防护性。该文建立了驱动机构动平台线速度与角速度之间的关系矩阵和该腿部机构全雅可比矩阵,绘制了全雅可比矩阵条件数分布图,建立了并联驱动机构和腿部行走机构显式3×3×3形式Hessian矩阵。在满足步矩为300 mm、越障高度为200 mm的条件下,利用组合多项式的方法,对该腿部足端进行轨迹规划,并求出了足端轨迹函数。将该轨迹函数作为足端输入,分别绘制了机构驱动关节在摆动相的角速度、角加速度理论曲线和虚拟样机仿真曲线。分析曲线中的数据可得角速度、角加速度的理论与仿真结果相近度均可达到10-3 mm,从而验证了理论分析的正确性。该研究为六足机器人的开发和控制提供了参考。     

变幅轮腿机器人智能越障步态规划与平稳性分析

为了实现机器人林区伐根的智能越障,保证机器人搭载扫描设备时的越障平稳性,该文设计了一种主动摆臂六轮腿式机器人结构,它具备2个独立的摆臂轮腿运动单元以及4个复合的摆臂轮腿运动单元。该文运用拉格朗日方程建立了机身智能越障过程中的摆臂轮腿动力学模型,采用最小二乘法拟合推杆的速度函数,通过ADAMS动态仿真以及样机试验,得到该变幅轮腿机器人在智能越障10 cm高度的过程中,机身的最大侧倾角与纵倾角较被动碰撞越障的右倾4.5°和前倾2.5°减小到左倾0.75°和前倾0.4°,验证了智能越障理论建模的正确性以及该系统的可靠性。该研究为该机器人在人工林区扫描作业的平稳越障提供了理论基础。     

履带式行走机构压实作用下土壤应力分布均匀性分析

履带式行走机构因具有较小的接地压力而被逐渐应用在大型农业车辆上,以减小对土壤的压实。然而由于履带下应力分布的不均匀,导致农业车辆对土壤的最大应力并未有效减小,对土壤较长的压力作用时间反而增加了土壤被压实的风险。应力分布的不均匀还会造成履带沉陷量的增大,降低车辆在软土地面的通过性能。为了研究履带式行走机构压实作用下土壤内的应力分布规律以及如何提高应力分布的均匀性,以缓解履带车辆对土壤压实作用、提高履带车辆软地通过能力,该文采用侧断面水平钻孔埋设压力传感器的方法,测得了履带式行走机构压实作用下履带中心线横截面内0.35 m深度土壤内沿履带长度方向上的垂直及水平应力分布;同时研究了履带张紧力大小对应力分布均匀性的影响。结果表明,履带式行走机构下的垂直应力在各负重轮的轴线处呈现一个应力峰值;水平应力在各负重轮轴线的前、后方分别呈现一个应力峰值,且最小应力在轴线处。各负重轮下的应力峰值大小不同。最大垂直应力出现在履带式行走机构后端的导向轮处;最大水平应力出现在后支重轮与导向轮之间。适当减小履带张紧力能够提高垂直及水平应力分布的均匀性。履带张紧力由1.8×10~4k Pa减小至1.6×10~4k Pa时,履带下的最大垂直及水平应力分别减小了约37.3%和21.7%;平均最大垂直及水平应力分别减小了约26.4%和20.4%。研究结果可为履带式行走机构结构的优化提供理论依据,以期提高履带下应力分布的均匀性。     

基于关节构形空间的混联采摘机械臂避障路径规划

针对混联采摘机器人在非结构性环境中进行避障采摘作业的要求,该文提出了一种基于关节构形空间的混联采摘机械臂避障路径规划算法。根据机械臂和障碍物的几何特征,对机械臂及障碍物模型进行合理简化,通过分析末端执行器目标点和串联机械臂结构参数选取合适的并联机械臂动平台目标点,然后采用遍历法构建串联机械臂关节构形空间,并利用快速扩展随机树(rapidly-exploring random tree,RRT)算法搜寻串联机械臂无撞路径,再通过同样的方法获得并联机械臂关节空间障碍物映射模型和无撞路径,最后综合串、并联机械臂的无撞路径,获得混联机械臂整体的避障路径。仿真和试验结果表明,文中所提出的算法搜索的避障路径能够驱动采摘机械臂避开工作空间内的障碍物,引导末端执行器到达目标点。     

基于Sylvester方程变形的荔枝采摘机器人手眼标定方法

针对视觉荔枝采摘机器人的Eye-in-Hand视觉与机器人关联方式的手眼标定问题,该文提出一种基于优化的求解齐次变换矩阵方程的手眼标定方法。该方法通过机器人带动其臂上的双目相机从多个位置观测标定板,使用Sylvester方程变形对手眼标定近似方程线性化,再对简单的初值进行优化计算,最终得到精确的标定结果。该方法的软件用C++/Open CV开发实现,并进行了多个试验。试验结果表明,视觉与机器人关联后,定位误差与机器人运动次数相关,当距目标1 m左右,静态时的视觉系统误差均值为0.55 mm;动态工作时,视觉关联机器人重复定位误差的均值为2.93 mm,标准差为0.45 mm,符合具有容错功能的视觉荔枝采摘机器人的实际使用需求。使用基于Sylvester方程变形的手眼标定方法标定的视觉荔枝采摘机器人,在野外环境下,总体采摘成功率达到76.5%,视觉系统成功识别、定位采摘点的情况下,采摘成功率达92.3%。     

主动悬架轮腿式全地形移动机器人俯仰姿态闭环控制

农业机器人在作业时,不可避免的会出现位姿（质心位置与姿态）的变化。为了实现对其位姿的控制,降低复杂路面对机器人姿态的影响,确保机器人的行驶稳定性,基于汽车多连杆独立悬挂系统,设计了一款轮腿式全地形移动机器人。首先在建立轮腿机器人控制运动学模型的基础上,通过矢量法和欧拉公式得到了1/2整机逆运动学模型,进而求出机身运动俯仰角、作动器工作长度与各腿关节转角的变换关系,并对轮腿机器人的位置和姿态进行解耦控制。为了确保机器人运动学控制模型以及运动学逆解的可靠性,在理论模型的基础上加工了1/4台架并进行了单腿运动学标定与运动学控制验证,结果表明仿真数据与试验数据基本吻合,最大误差控制在1.5%以内。在单腿运动学控制模型正确的基础上,采用比例控制算法在MATLAB中搭建整机轮腿机器人俯仰姿态控制策略,在满足轮腿机器人质心位置不变的条件下实现其俯仰姿态闭环控制;最后在ADAMS中构建轮腿机器人虚拟样机模型,利用MATLAB和ADAMS平台搭建轮腿机器人整机俯仰姿态闭环控制联合仿真模型,仿真结果表明轮腿机器人的俯仰姿态与质心位置均有很好的跟踪效果,其中质心位置误差、姿态误差分别控制在0.2%、2%,结果验证了所述轮腿机器人俯仰姿态闭环控制策略的正确性。     

四橡胶履带轮式车辆转向力学性能分析与试验

橡胶履带轮是一种能够与轮胎整体快速互换,降低接地比压、提升越野机动能力的特殊行走装置。该文以某型四橡胶履带轮式车辆转向系统为研究对象,首先通过建立断开式转向梯形机构数学模型,得到内轮、外轮转角与油缸位移关系,以及转角特性曲线;通过转向油压测试,得到两轮和四轮转向时转向油缸输出最大转向驱动力及其随左前轮转向角变化曲线。然后对履带轮在混凝土地面上转向受力分析,建立最大平均转向阻力矩数学模型,得到单轮最大平均转向阻力矩。最后提出了基于转向杆件应力应变测试分析转向阻力矩的方法,得到履带轮在混凝土地面2轮和4轮原地转向时转向阻力矩随转角变化的规律,对比分析最大总转向驱动力矩与总转向阻力矩,验证了数学模型和该分析方法的正确性。该文的研究也可对四履带轮式车辆转向系统的结构参数设计和履带轮的接地尺寸、接地比压、轮系布置研究提供参考。     

双流传动履带车辆实现方向盘转向的控制策略

履带车辆实现类似轮式车辆的转向操纵方式一直是广大科研工作者十分关注的课题.该研究在现有静液压双流差速转向装置的基础上,设计一套与之匹配的方向盘控制装置.内外侧履带速度随方向盘转角变化的仿真结果表明,履带车辆采用方向盘精确控制静液压双流差速转向装置,完全可以实现转向期间无动力切断自动无级降速,实现类似轮式车辆的转向操纵方式.研究结果为深入研究双流履带车辆提供理论依据.